알루미늄(Aluminium) 용접 결함 3가지: 기공, 균열, 융합불량 원인과 대책 (현장 기준)

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1. 서론: Aluminium 용접의 3대 결함
2. 본론: 용접 결함별 원인 및 상세 대책
(1) 기공 (Porosity)
a. 기공 (Porosity)의 근본 원인
b. 기공 대책
(2) 고온균열 (Hot Cracking)
(3) 융합불량 (Lack of Fusion)
3. 결론

1. 서론: Aluminium 용접의 3대 결함

알루미늄(Aluminium)은 가볍고 내식성이 우수하여 현대 산업 전반에서 필수적인 재료로 뚜렷하게 자리 잡았다. 그러나, 현장에서 알루미늄의 용접 관리 업무를 하다 보면 기공이나 균열, 융합불량 같은 결함이 반복적으로 발생하는 경우가 많은것을 발견하게 된다. 특히 철강과 동일한 조건으로 작업할 경우에는 예상보다 높은 확률로 결함이 발생하게 된다. 알루미늄 용접 관리에서 이러한 결함의 원인을 미리 알고 대비책을 세워 현장 작업에 임하는지 아니면 대비책 없이 용접업무에 임하는지는 용접의 성패를 좌우하는 매우 중요한 문제라고 생각된다.

이 글에서는 필자가 현장에서 경험했던 가장 자주 발생하는 알루미늄 용접 3대 결함(기공, 고온균열, 융합불량)의 원인과 실제 대응 방법을 정리하고자 한다. 이러한 결함들은 발생 원인이 명확하므로, 이를 사전에 방지하기 위한 기술적 대책을 수립하는 것이 품질 확보의 핵심이라 생각한다.

2. 본론: 용접 결함별 원인 및 상세 대책

(1) 기공 (Porosity)

알루미늄(Aluminium) 용접에서 가장 고질적인 결함이다. 액체 상태의 알루미늄은 수소(H2)를 많이 흡수하지만, 응고되면서 용해도가 1/20 수준으로 급감한다. 이때 빠져나가지 못한 수소 가스가 금속 내부에 갇히며 기공을 형성한다.

a. 기공 (Porosity)의 근본 원인

알루미늄(Aluminium) 용접부 기공의 주범은 수소(H2)이다. 철강 재료와 달리 알루미늄은 응고 시 수소 용해도가 급격히 감소하는데, 이때 배출되지 못한 수소가 기포 형태로 잔류하게 된다. 수소가 유입되는 구체적인 경로는 다음과 같다.

  • 표면 산화막과 흡착 수분: 알루미늄 표면의 거친 산화막(Al2O3)은 다공성 구조를 가지고 있어 대기 중의 수분을 쉽게 흡수한다. 이 수분이 용접 아크의 고열에 분해되면서 다량의 수소를 용융지에 공급한다.
  • 용가재(Filler Wire)의 오염: 와이어 표면에 묻은 드로잉 오일(유지류), 보관 중 발생한 수분, 혹은 작업자의 장갑에서 묻은 지문 등이 아크 열에 의해 탄화 및 분해되며 수소를 발생시킨다.
  • 보호 가스의 불순물 및 노즐 와류: 사용하는 아르곤(Ar) 가스의 순도가 낮거나, 가스 렌즈 상태가 불량하여 외부 공기(습기 포함)가 혼입될 때 발생한다. 특히 유량이 너무 세면 와류가 생겨 대기 중의 수분이 빨려 들어오기도 한다.
  • 모재의 결함 (Internal Gas): 압출이나 주조 공정에서 모재 자체에 포함되어 있던 가스가 용접 시 팽창하며 기공으로 나타나는 경우도 있다.

실제 현장에서는 와이어 보관 상태나 작업 환경 습도에 따라 기공 발생률이 크게 달라진다.

b. 기공 대책

  • 설계 단계 대책:
    • 이음부 형상 최적화: 가스가 배출되기 쉬운 루트 간격(Root Gap)을 확보하고, 폐쇄된 공간에서의 용접을 최소화하는 설계를 적용한다.
    • 적절한 베벨 각도 확보: 아크의 접근성을 높여 가스 포켓이 생기지 않도록 한다.
    • 용접 자세 조정 : 수평, 위보기 용접부의 감소 (아래 보기 자세에서 수소가 윗부분으로 Out)
  • 시공 단계 대책:
    • 청정 관리: 용접 전 스테인리스 와이어 브러시나 화학적 에칭을 통해 산화막(Al2O3)과 수분을 완전히 제거한다.
    • 보호 가스 관리: 고순도 아르곤(Ar) 가스를 사용하며, 가스 라인의 누설을 점검하여 수분 유입을 차단한다.
    • 입열량 제어: 너무 빠른 냉각은 가스가 빠져나갈 시간을 빼앗으므로 적절한 예열과 전류 설정을 유지한다.
    • 모재 및 용접봉: 모재,이음부의 보호 및 용접봉 건조 및 청정 장소 보관
  • 검사 단계 대책:
    • 표면 검사: 용접 직후 육안 검사를 통해 과도한 비드 표면의 기공을 확인한다.
    • 비파괴 검사(RT/UT): 내부 기공의 크기와 밀도가 관련 규격(ASME 등)의 허용 범위를 초과하는지 정밀 판독한다.
    • 구조물 건조 초기단계에서 검사 및 검사의 신속한 피드백
Ultrasonic test, detect for welding defects

UT (ultrasonic test), 이미지 출처: Wikimedia Commons (Public Domain)   

(2) 고온균열 (Hot Cracking)

알루미늄(Aluminium)은 열팽창 계수가 크고 응고 온도 범위가 넓어, 용접부 응고 시 수축 변형에 의한 고온균열이 발생하기 쉽다. 특히 두께가 두꺼운 구조물이나 구속 조건이 강한 부위에서 균열이 빈번하게 발생한다.

  • 원인: 응고 마지막 단계에서 결정립 경계에 합금원소의 편석 또는 저융점 화합물이 액상막으로 존재할 때, 수축 응력이 이를 당기며 갈라지게 된다.
  • 대책:
    • 용가재(Filler Wire) 선정: 모재와 동일한 성분보다는 균열 저항성이 높은 4000계열(Si 함유)이나 5000계열(Mg 함유) 용가재를 사용하여 응고 특성을 개선한다.
    • 비드 형상 조절: 깊고 좁은 비드는 응력 집중을 유발하므로, 폭과 깊이의 비율이 적절한 넓은 비드 형상을 유도한다.
    • 용접 시공 : 용접속도 낮추고, Cater 부가 응고되기 전 용융금속 보충 및 End Tab 설치
Welding Crack

Welding Crack, 이미지 출처: Wikimedia Commons (Public Domain)

(3) 융합불량 (Lack of Fusion)

모재나 이전 패스(Pass)가 제대로 녹지 않아 금속 결합이 이루어지지 않은 상태이다. 특히, 알루미늄은 열전도율이 높아 초기 입열이 부족하면 융합불량이 쉽게 발생한다.

  • 원인: 알루미늄(Aluminium) 표면의 산화막이 모재보다 훨씬 높은 온도에서 녹기 때문에 열량이 부족할 경우 발생한다.
  • 대책:
    • 청정 작용(Cleaning Action) 활용: AC TIG 용접 시 극성을 조절하여 아크가 직접 산화막을 파괴하도록 설정한다.
    • 충분한 초기 입열: 열전도율이 높은 알루미늄 특성을 고려하여 초기 아크 발생 시 충분한 전류를 공급해 용입을 확보한다.
Cleaning action of Aluminium welding (알루미늄 용접)

3. 결론

알루미늄(Aluminium) 용접 결함은 재료의 물리적 특성에 대한 이해 부족에서 비롯된다고 볼 수 있다. 기공은 철저한 수소 유입 차단과 단계별 관리(설계/시공/검사)를 통해 억제해야 하며, 고온균열은 적절한 용가재 선정으로, 융합불량은 산화막 제거와 충분한 입열량 확보로 해결할 수 있다. 단순히 용접 기술에 의존하기보다 설계부터 최종 검사까지 체계적인 품질 관리 프로세스를 준수할 때, 비로소 결함 없는 고품질의 알루미늄(Aluminium) 구조물을 제작할 수 있다. 알루미늄 용접이 어려운 이유는 별도로 정리한 글에서 더 자세히 확인할 수 있다. ‘[용접_알루미늄] Aluminium 및 Al 합금 용접이 어려운 4가지 이유와 해결책‘ 글을 참조하기 바란다.

@ 현장 기술사의 Insight: 알루미늄 용접은 ‘표면 청정’과 ‘입열 제어’의 미학이다

=> 현장 용접실무에서 알루미늄(Aluminium) 용접 결함을 제어하는 핵심은 강철과는 다른 알루미늄만의 독특한 물성인 부동태 산화피막(Al2O3)과 수소의 급격한 용해도 변화를 이해하는 데 있다. 엔지니어는 현장에서 단순한 용접 조건 설정을 넘어, 용접 직전 산화피막을 기계적으로 완전히 제거하는 엄격한 표면 청정함’=을 강조해야 한다. 특히 기공(Porosity)은 대기 중의 수분이나 유기물이 아크 열에 분해되어 용융지에 갇히는 현상이므로, 노즐 차폐 성능과 더불어 모재 및 용접봉의 습기 관리가 품질의 80%를 결정한다고 볼 수 있다. 또한, 응고 수축률이 큰 특성상 발생하는 고온 균열(Hot Crack)을 방지하기 위해 입열량을 최소화하고, 크레이터(Crater) 처리를 위한 전류 제어 기술을 철저히 적용해야 한다. 결국 알루미늄 용접의 성패는 “얼마나 깨끗하게 준비하고, 얼마나 빠르게 열을 다스리느냐”라는 공정 관리의 정밀함에서 판가름 난다고 할 수 있다.

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